JP2005167249A - 熱的安定性に優れるシリサイド膜の形成方法、その方法で形成されたシリサイド膜を備える半導体素子と半導体メモリ素子およびそれらの素子の製造方法 - Google Patents

熱的安定性に優れるシリサイド膜の形成方法、その方法で形成されたシリサイド膜を備える半導体素子と半導体メモリ素子およびそれらの素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 熱的安定性に優れるシリサイド膜を形成することができ、この方法で形成されたシリサイド膜を有する半導体素子、半導体メモリ素子は、シート抵抗が低く、かつ熱的安定性に優れる。さらに、それらの素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 シリコン含有基板上にゲルマニウム膜とニッケル膜とを順次に積層した後、その結果物を熱処理して、ゲルマニウムを含むニッケルモノシリサイド膜を形成する方法を提供と、このように形成されたニッケルモノシリサイド膜を備える半導体素子と半導体メモリ素子およびこれら素子の製造方法。
【選択図】 図2

Description

本発明は、物質膜の形成方法に係り、さらに詳細には熱的安定性に優れるシリサイド膜の形成方法、その方法で形成されたシリサイド膜を備える半導体素子と半導体メモリ素子およびそれらの素子の製造方法に関する。
半導体装置の集積度が高くなるにつれて、半導体素子、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)やキャパシタのサイズもサブミクロン以下に小さくなっている。
このように半導体素子のサイズがサブミクロン以下に小さくなるにつれて、半導体素子のコンタクト領域、例えば、MOSFETのゲート、ソースおよびドレインのコンタクト領域の寄生抵抗も増加する。寄生抵抗が増加すれば、RC遅延が増加して半導体素子の動作速度が低下する。
これにより、コンタクト領域にシリコン(Si)と金属との反応生成物であるシリサイド膜を形成して、前記コンタクト領域の面抵抗と接触抵抗とを低下させる方法が広く使われている。
従来広く使われている代表的なシリサイドとして、チタンシリサイド(TiSi2)とコバルトシリサイド(CoSi2)とが挙げられる。これら二つのシリサイドは、全て半導体素子の高速動作に適した低い比抵抗値を有している。
しかし、TiSi2とCoSi2とは、次のような短所を有している。
すなわち、TiSi2の場合、ブリッジングに起因した短絡が比較的容易に発生し、狭ライン効果(narrow line effect)を示す。したがって、チタンシリサイド層を半導体素子に適用することは困難である。
CoSi2の場合、TiSi2より良好な特性を有しているが、その形成過程でシリコン消耗量が多いという短所を有している。したがって、CoSi2を浅い接合を有する半導体素子に適用し難い。
このようなTiSi2とCoSi2の問題を解決するため、最近、これらのシリサイドに代替可能な新たなシリサイドが紹介され、ニッケルモノシリサイド(NiSi)はそのうちの一つである。
NiSiは、TiSi2やCoSi2に類似した比抵抗(14μΩ・cm)を有するとともに、ブリッジングによる問題点と、狭いライン効果とがないことが知られている。そして、シリコン消耗量もCoSi2を形成するときよりはるかに少ないことが知られている。
しかし、このようなNiSiを半導体素子の製造工程に使用する場合、次のような問題点が生じる。
すなわち、半導体素子の製造過程において、BPSG(BoroPhosphoSilicate Glass)膜のような層間絶縁膜を形成した後にはリフローのための熱処理工程が行われる。このとき、前記熱処理工程は、NiSiを形成するときよりはるかに高い700℃以上の温度で行われる。このような熱処理工程で、NiSiが、比抵抗のはるかに高いNiSi2に変換されるため、半導体素子の寄生抵抗が増加して半導体素子の性能が低下する。
本発明が解決しようとする第1の技術的課題は、前記従来の技術の問題点を改善するためのものであって、シート抵抗が低く、かつ熱的安定性に優れたシリサイド膜を備える半導体素子を提供することである。
本発明が解決しようとする第2の技術的課題は、このような半導体素子を含む半導体メモリ素子を提供することである。
本発明が解決しようとする第3の技術的課題は、前記半導体素子と前記半導体メモリ素子とに使われるシリサイド膜の製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする第4の技術的課題は、前記半導体素子の製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする第5の技術的課題は、前記半導体メモリ素子の製造方法を提供することである。
前記第1の技術的課題を解決するために、本発明は、シリコンを含有する基板にソースおよびドレインが形成されており、前記ソースおよびドレインの間の前記基板上にゲートを備える半導体素子において、前記ソース、ドレインおよびゲートのうちの少なくとも一つの表面に、ゲルマニウムを含むニッケルモノシリサイド膜が形成されていることを特徴とする半導体素子を提供する。
前記第2の技術的課題を解決するために、本発明は、トランジスタとそのトランジスタに連結されたデータ保存手段とを備える半導体メモリ素子において、前記トランジスタとデータ保存手段との間に、ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が介設されていることを特徴とする半導体メモリ素子を提供する。
ここで、前記データ保存手段は、キャパシタまたは磁気トンネル接合(Magnetic Tunneling Junction:MTJ)セルのような磁気抵抗体であってもよい。したがって、前記半導体メモリ素子は、磁気メモリ素子であってもよい。また、前記半導体メモリ素子は、埋め込み型メモリ素子(embedded momory device)であってもよい。
前記トランジスタのドレインと前記キャパシタの下部電極とは、導電性プラグを通じて連結され、前記導電性プラグの表層にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が設けられていてもよい。また、前記ドレインの表層にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が設けられていてもよい。
本発明は、前記第3の技術的課題を解決するために、シリコンを含有する基板上に前記シリコンと金属との反応物に吸収される臨時膜を形成する第1段階と、前記臨時膜の上に後続の熱処理段階で前記シリコンと反応する金属膜を形成する第2段階と、前記金属膜が形成された結果物を熱処理して前記基板の表層に金属シリサイド膜を形成する第3段階とを含むことを特徴とするシリサイド膜の形成方法を提供する。
前記基板は、単結晶シリコン基板、ポリシリコン基板、ドーピングされたシリコン基板、非晶質シリコン基板、シリコンゲルマニウム(SiXGe1-X)基板、シリコン窒化物(SiX1-X)基板およびシリコンカーバイド(SiC)基板よりなる群から選ばれる1種である。
前記第3段階は、前記金属膜が形成された結果物を、300〜1,000℃かつ窒素ガス雰囲気下で急速熱アニーリング(Rapid Thermal Annealing:RTA)方式によって10〜90秒間熱処理して行うことができる。
前記第4の技術的課題を解決するために、本発明は、シリコンを含有する基板上にゲート絶縁膜とゲート電極とを含むゲート積層物を形成する第1段階と、前記ゲート積層物の周りの前記基板に浅い不純物層を形成する第2段階と、前記ゲート積層物の側面にゲートスペーサを形成する第3段階と、前記ゲートスペーサの周りの浅い不純物層に深い不純物層を形成して前記浅い不純物層と前記深い不純物層とからなるソースおよびドレインを形成する第4段階と、前記ソース、ドレインおよびゲート電極のうち少なくとも一つの表層にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜を形成する第5段階とを含むことを特徴とするトランジスタの形成方法を提供する。
このとき、前記第5段階は、前記基板上に前記ソースおよびドレインと前記ゲート積層物とを覆い、前記シリコンと金属との反応物に吸収されるゲルマニウム(Ge)膜を形成する段階と、前記Ge膜上にニッケル膜を形成する段階と、前記ニッケル膜が形成された結果物を熱処理する段階とを含むことができる。このとき、前記ニッケル膜が形成された結果物は、300〜1,000℃かつ窒素ガス雰囲気下でRTA方式で10〜90秒間熱処理することができる。
本発明は、前記第5の技術的課題を解決するために、シリコンを含有する基板にトランジスタを形成する第1段階と、前記基板上に前記トランジスタを覆う層間絶縁層を形成する第2段階と、前記層間絶縁層に前記トランジスタの一部が露出されるコンタクトホールを形成する第3段階と、前記コンタクトホールを導電性プラグで充填する第4段階と、前記導電性プラグの表層にTiSi、CoSiおよびNiSiより熱的安定性に優れたシリサイド膜を形成する第5段階と、前記層間絶縁層上に前記導電性プラグの全面と接触するデータ保存手段を形成する第6段階とを含むことを特徴とする半導体メモリ素子の製造方法を提供する。
前記第2段階において、前記層間絶縁層を形成する前に、前記コンタクトホールを通じて露出される前記トランジスタの一部にTiSi、CoSiおよびNiSiより熱的安定性に優れたシリサイド膜を形成してもよい。
前記データ保存手段は、キャパシタまたはMTJセルであってもよい。また、前記シリサイド膜は、ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜で形成してもよい。
前記ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜は、前記ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が形成される下部物質膜の上に前記ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜に吸収されるGe膜を形成する段階と、前記Ge膜上にニッケル膜を形成する段階と、前記ニッケル膜が形成された結果物を熱処理する段階と、前記残留するニッケル膜を除去する段階とを含む工程によって形成してもよい。
本発明によるシリサイド形成方法は、Ge膜をNi膜とシリコン含有基板の間に蒸着した後、熱処理してNiSi膜を形成する。この本発明を利用すれば、シート抵抗が低く、かつ熱的安定性に優れる半導体素子を製作することができる。したがって、本発明のシリサイド膜の形成方法を、現在、生産されている半導体素子、半導体メモリ素子および次世代素子に適用する場合、高品質の素子を効果的に製作できるだけでなく、素子の性能を極大化させて製品競争力を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態による熱的安定性に優れるシリサイド膜の形成方法、その方法で形成したシリサイド膜が適用された半導体素子と半導体メモリ素子、およびそれらの素子の製造方法を、添付された図面を参照して詳細に説明する。なお、図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示した。
まず、図1および図2を参照して、本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法を説明する。
図1に示すとおり、シリコン(Si)を含む基板10の上に臨時膜12を形成する。臨時膜12は、後の工程でシリサイド膜が形成されるときにシリサイド膜に吸収される。したがって、前記シリサイド膜が形成されると臨時膜12は消失する。臨時膜12は、前記シリサイド膜が形成された後に残っていてもよいが、その厚さは膜と言えないほど極めて薄い。次いで、臨時膜12の上にシリサイドを形成する金属膜14を形成する。基板10と金属膜14とは、後続熱処理工程で互いに反応して金属化合物、すなわちシリサイド膜を形成する。この工程において、臨時膜12は、前記シリサイド膜に吸収されて前記シリサイド膜の熱的安定性を向上させる。したがって、臨時膜12は、前記シリサイド膜との相溶性が良好で、シリサイドと溶融混合される物質で形成することが望ましい。基板10は、単結晶シリコン基板、ポリシリコン基板、ドーピングされたシリコン基板、非晶質シリコン基板、シリコンゲルマニウム(SiXGe1-X)基板、シリコンナイトライド(SiX1-X)基板またはシリコンカーバイド(SiC)基板等のシリコンを含む基板であれば、何れも使用することができる。金属膜14は、所定厚さのニッケル(Ni)膜で形成することができる。臨時膜12を構成する物質は、基板10と金属膜14とを構成する物質によって変わる。前記のように、基板10がシリコンを含む基板で形成され、金属膜14がニッケル膜で形成される場合、臨時膜12は、所定厚さのGe膜で形成することができる。本発明のシリサイド膜の形成方法が適用される分野によって異なるが、臨時膜12がニッケル膜で形成される場合、臨時膜12の厚さは1nm以上に形成することができ、2〜10nm程度の厚さに形成することが望ましい。
臨時膜12と金属膜14とは、電子ビーム蒸発器を使用して形成することができるが、厚さの調節が容易なCVD、PVD、MOCVD、MBEまたはスパッタリングによって形成することが望ましい。
前記のように、基板10上に臨時膜12および金属膜14を順次形成した後、その結果物を所定の温度で所定の時間加熱する。例えば、臨時膜12が厚さ2〜10nmのGe膜であり、金属膜14が厚さ30nm程度のニッケル膜である場合、窒素ガス雰囲気下、300〜1000℃で30秒間、臨時膜12と金属膜14とが順次に積層されて形成された積層体を急速熱処理する。この過程で、金属膜14の成分と、基板10の成分とが、互いに反応して、図2に示すように、基板10上に、金属膜14の成分と基板10の成分とを含むシリサイド膜16が形成される。このようなシリサイド膜16の形成過程で、臨時膜12の成分はシリサイド膜16に拡散されて、シリサイド膜16は臨時膜12の成分を含む。これにより、シリサイド膜16の形成過程が完了する間に、臨時膜12は完全に消失する。
一方、シリサイド膜16の形成過程が完了した後にも臨時膜12が残留してもよいが、シリサイド膜16の形成過程で臨時膜12がシリサイド膜16にほとんど吸収される。そのため、シリサイド膜16の形成過程が完了した後、残りの臨時膜の厚さは最初に形成された臨時膜12の厚さに比べて極めて薄く、膜として何らの意味もない。したがって、シリサイド膜16の特性は、シリサイド膜16の形成後に残った臨時膜から大きい影響を受けない。
シリサイド膜16は、NiSi膜であることが望ましい。金属膜14は、シリサイド膜16の形成過程で完全に消尽されることが望ましいが、図2に示すように、その一部14aが残留してもよい。シリサイド膜16の形成過程が完了した後、シリサイド膜16上に残っている残留金属膜14aは、所定の方法、例えば、湿式エッチングで除去することができる。
下記の説明は、シリサイド膜16がNiSi膜であるときの各種の重要な物理的特性に関するものである。
前述したように、金属膜14と臨時膜12としてそれぞれニッケル膜とGe膜とを使用してNiSi膜(以下、本発明のNiSiという)を形成する場合、NiSi膜の自由エネルギーは、従来の方法で形成したNiSi(以下、従来のNiSiという)より増加する。
図3および図4は、それぞれ従来のNiSiと、本発明のNiSiとが、それぞれNiSi2に変わるときの自由エネルギー変化を示す。
図3および図4に示すとおり、従来のNiSiがNiSi2に変わるときの自由エネルギー変化(△G1)より本発明のNiSiがNiSi2に変わるときの自由エネルギー変化(△G2)がはるかに大きいことが分かる。このような事実から、本発明のNiSiが、従来のNiSiより熱的にはるかに安定であることが分かる。
図5は、本発明のNiSiと従来のNiSiとに対するシート抵抗の測定結果を表す図面である。図5から、各NiSiを形成するときのアニーリング温度によって各NiSiのシート抵抗が変化する様相が分かる。シート抵抗は、シート抵抗測定器を利用し、4箇所で測定した。図5において、参照符号△は、30nmのニッケル膜を使用した従来のNiSiのシート抵抗変化を表す。そして、参照符号□は、2nmのGe膜と30nmのニッケル膜とを使用した本発明のNiSi(以下、第1NiSiという)のシート抵抗変化を表す。また、参照符号○は、5nmのGe膜と30nmのニッケル膜とを使用した本発明のNiSi(以下、第2NiSiという)のシート抵抗変化を表す。
図5に示すとおり、従来のNiSiのシート抵抗は、700℃まで一定であり、それ以上の温度で急に高くなることが分かる。一方、前記第1NiSiおよび第2NiSiのシート抵抗は、750℃まで一定であり、それ以上の温度で徐々に高くなることが分かる。
図5に示された結果から、前記第1NiSiおよび第2NiSiの場合、アニーリング温度が高くなるにしたがって発生するシート抵抗の減少を効果的に防止できることが分かる。
次いで、色々な温度で熱処理して形成した従来のNiSi、前記第1NiSiおよび前記第2NiSiに対する視射角X線回折(Glancing angle X−ray Diffraction:GXRD)の結果を説明する。
図6は、従来のNiSiに対するGXRD結果を示し、図7および図8は、それぞれ前記第1NiSiおよび第2NiSiに対するGXRD結果を示す。図6ないし図7において、参照符号□はNiSiに対するピークを表し、参照符号○はNiSi2に対するピークを表す。
図6に示すとおり、従来のNiSiの場合、RTA温度が600℃になるまで、NiSiのみ存在することが分かる。しかし、RTA温度が700℃以上になれば、NiSiとNiSi2とが共に存在することが分かり、特に、RTA温度が800℃以上である場合には、NiSi2のみ存在することが分かる。
このような結果から、従来のNiSiの場合、その形成温度が700℃になってNiSiの一部がNiSi2に変わることが分かる。
一方、図7および図8を参照すれば、図6に示された従来のNiSiのGXRD結果と、本発明のNiSiのGXRD結果とは、相当に異なるということが分かる。
具体的に、図7に示すように、前記第1NiSiの場合、形成温度が800℃になってもNiSiのみ存在することが分かり、850℃になってNiSiとNiSi2が共存し、900℃になってNiSi2のみ存在することが分かる。このような結果は、第1NiSiの形成温度が850℃になると第1NiSiの一部がNiSi2に変わり、形成温度が900℃になって第1NiSiの全てがNiSi2に変わることを意味する。
次いで、図8に示すとおり、厚さ5nmのGe膜を使用して形成した前記第2NiSiの場合、従来のNiSiはもとより、前記第1NiSiの場合よりも望ましい形成温度の範囲がさらに増大することが分かる。
すなわち、前記第2NiSiの場合、形成温度が850℃になるまではNiSiのみ存在し、形成温度が850℃になってNiSiとNiSi2が共存することが分かる。これは、すなわち第2NiSiの形成温度が850℃になって一部のNiSiがNiSi2に変わることを意味する。
図6ないし図8に示した結果から、Ge膜を利用してNiSiを形成する場合、そうでないときよりNiSiがNiSi2に変わる温度が高くなることが分かる。また、Ge膜を利用してNiSiを形成するときも、Ge膜を厚く形成するほどNiSiがNiSi2に変わる温度が高くなることが分かる。
図9ないし図11は、700℃で30秒間RTA方式で熱処理して形成した、従来のNiSi、前記第1NiSi(SF1)および前記第2NiSi(SF2)のそれぞれの断面を示す透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscopy:TEM)写真である。
図9から、従来のNiSiの場合、NiSiとSi基板の間の界面が非常に粗いことが分かる。また、左側下段に示した高解像度電子顕微鏡(High Resolution Electron Microscopy:HREM)映像から、従来のNiSiの場合、NiSiとNiSi2とが共存していることが分かる。特に、NiSi2が存在する部分は、NiSiが存在する部分より基板の深さ方向にさらに多く形成されていることが分かる。これは、NiSi2が生成するとき、NiSiが生成されるときより多量のシリコン(Si)が消費されるためである。これにより、従来のNiSiと基板の間に粗い界面が形成される主要原因は、NiSi2の生成と言える。
一方、図10は前記第1NiSi(SF1)の場合を示し、図11は前記第2NiSi(SF2)の場合を示し、これらの図から、前記第1NiSiおよび第2NiSi(SF1,SF2)の場合、図9に示した従来のNiSiの場合よりもNiSiと基板の間の界面の均一度がはるかに優秀であることが分かる。
図9ないし図11に示す結果から、ゲルマニウムを使用してNiSiを形成する場合が、そうでない場合よりNiSiと基板の間の界面の均一度がはるかに優秀であることが分かる。
図12は、700℃で30秒間RTA方式で熱処理して形成した第2NiSi膜(SF2)に対する走査透過電子顕微鏡(Scanning TEM:STEM)のZ−コントラスト映像(以下、STEM映像という)を示す。そして、図13は、第2NiSi膜(SF2)の色々な位置で測定したエネルギー分散X線分光スペクトル(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy:EDXS)プロファイルを示す。図13に示したEDXSプロファイルは、図12に示した直線Lに沿って測定したものであって、直線Lに沿って上方から下方に測定した。図13において、参照符号□は第2NiSi膜(SF2)におけるニッケル分布を表し、参照符号◇は第2NiSi膜(SF2)におけるシリコン分布を表す。そして、参照符号○は、第2NiSi膜(SF2)におけるゲルマニウム分布を表す。
図12を参照すれば、第2NiSi膜(SF2)のコントラストが一定であることが分かるが、これは、第2NiSi膜(SF2)を構成する成分が膜全体にわたって均一に分布していることを意味する。
図13から、第2NiSi膜(SF2)にゲルマニウムが含まれていることが分かる。そして、ゲルマニウム分布曲線○に、第1ピークp1および第2ピークp2が見られるが、第1ピークp1は第2NiSi膜(SF2)の表面に対応し、第2ピークp2は第2NiSi膜(SF2)と基板との界面に該当する。これにより、第2NiSi膜(SF2)にゲルマニウムが均一に分布し、第2NiSi膜(SF2)の表面と、第2NiSi膜(SF2)と基板との界面にさらに多くのゲルマニウムが分布していることが分かる。
一方、ゲルマニウム分布曲線○から第2NiSi膜(SF2)に含まれるゲルマニウム含有量を計算すれば、2.5〜3%のゲルマニウムが第2NiSi膜(SF2)に均一に分布していることが分かる。
このように、第2NiSi膜(SF2)にゲルマニウムが含まれているので、第2NiSi膜(SF2)はNiSi1-XGeXと表わすことができる。
図14は、700℃で30秒間RTA方式で熱処理して形成した第1NiSi膜(SF1)に対するSTEM映像を示す。そして、図15は、第1NiSi膜(SF1)の色々な位置で測定したEDXSプロファイルを示す。
図15に示したEDXSプロファイルは、図14に示した直線L1に沿って測定したものであって、直線L1に沿って上方から下方に測定した。図15において、参照符号□は、第1NiSi膜(SF1)におけるニッケル分布を表し、参照符号◇は、第1NiSi膜(SF1)におけるシリコン分布を表す。そして、参照符号○は、第1NiSi膜(SF1)におけるゲルマニウム分布を表す。
図14から、第1NiSi膜(SF1)の二つの部分P1,P2が互いにコントラストが異なることが分かるが、これは、第1NiSi膜(SF1)内に相異なる組成を有する二つの層が存在することを意味する。
図15に示したEDXSの定量分析によって、明るいコントラストを有する第2部分P2に2〜3%のゲルマニウムが存在し、これに対して、第2部分P2に比べて相対的に暗いコントラストを有する第1部分P1にはゲルマニウムが存在していないことが分かる。
すなわち、基板と第1NiSi膜(SF1)の間の界面である第1部分P1にNiSi1-XGeXが存在し、第2部分P2には主にNiSiのみ存在することが分かる。
図15のゲルマニウム分布曲線(○)から、第2NiSi膜(SF2)と同様に、基板と第1NiSi膜(SF1)の界面の付近と表面とにゲルマニウムが存在することが分かるが、第2NiSi膜(SF2)と比較するとき、第1NiSi膜(SF1)におけるゲルマニウム含有量は、その程度ははるかに劣ることが分かる。
一方、実際の半導体素子の製造工程において、第1NiSi膜(SF1)または第2NiSi膜(SF2)のようなシリサイド膜が形成された後、層間絶縁層の形成のための層間絶縁層のリフロー工程が行われる。前記リフロー工程は、第1NiSi膜(SF1)または第2NiSi膜(SF2)の形成工程に比べて長時間かつ高温の熱処理工程を伴う。
第1NiSi膜(SF1)または第2NiSi膜(SF2)を適用して形成した半導体素子が、従来のNiSiを適用した半導体素子より優秀な性能を有するためには、前記リフロー工程のような後続の高温工程における第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)の熱的安定性が確保されなければならない。
後続の高温工程における第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)の熱的安定性の確保如何を検証し、従来のNiSi膜と比較するために、次のような実験を行った。
第一に、従来のNiSi膜、第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)を形成した。このとき、各NiSi膜は、550℃の温度で30秒間RTA処理して形成した。そして、各NiSi膜を形成した後、未反応のNiは除去した。
第二に、このように形成した従来のNiSi膜、第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)を4つの温度で、例えば、550℃、600℃、650℃および700℃で30分ずつ熱処理した。この熱処理は、管状炉中で窒素ガス雰囲気下に行った。そして、前記各温度での熱処理が完了する毎に、従来のNiSi膜と第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)のシート抵抗を測定した。
図16は、このように測定した従来のNiSi膜、第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)のそれぞれのシート抵抗を表す。図16において、参照符号□は従来のNiSi膜に対するものであり、参照符号△は第1NiSi膜(SF1)に対するものであり、参照符号○は第2NiSi膜(SF2)に対するものである。
図16に示すとおり、従来のNiSi膜、第1NiSi膜(SF1)および第2NiSi膜(SF2)に対する熱処理温度が高くなるにつれて、従来のNiSi膜のシート抵抗□は増加するのに対して、第1NiSi膜および第2NiSi膜(SF1,SF2)のシート抵抗△,○は、従来のNiSi膜のシート抵抗□より減少するだけでなく、従来のNiSi膜よりはるかに緩やかに増加した。特に、熱処理温度が700℃になると従来のNiSi膜のシート抵抗は急増したのに対して、第1NiSi膜および第2NiSi膜(SF1,SF2)のシート抵抗はあまり変わらなかった。
このような結果から、後続の熱処理工程における第1NiSi膜および第2NiSi膜(SF1,SF2)の熱的安定性は、従来のNiSiよりはるかに高いことが分かる。
一方、図16において、第1NiSi膜および第2NiSi膜(SF1,SF2)の熱的安定性を比較すれば、第1NiSi膜(SF1)のシート抵抗が第2NiSi膜(SF2)のシート抵抗より低く、第1NiSi膜(SF1)が第2NiSi膜(SF2)より熱的に安定であることが分かる。これは、本発明によるNiSi膜の形成工程において、Ge膜を薄く形成するほどNiSi膜の熱的安定性は高くなることを意味する。
次いで、前述したような本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法が適用された半導体素子の製造方法を説明する。
図17ないし図20は、本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法が適用されたMOSFETの製造方法を段階別に表す。
図17に示すとおり、前述したようなシリコンを含む基板40を活性領域とフィールド領域とに区分した後、前記フィールド領域に素子分離膜(図示せず)を形成し、前記活性領域上に、ゲート絶縁膜42とゲート電極Gとを含むゲート積層物を形成する。このようなゲート積層物をマスクとして使用して、基板40の前記活性領域に浅い導電性不純物層を形成する。次に、前記ゲート積層物の側面にゲートスペーサ44を形成する。前記ゲート積層物とゲートスペーサ44とをマスクとして使用して、基板40の前記活性領域に深い導電性不純物層を形成する。これにより、基板40の前記活性領域にLDD(Lightly Doped Drain)状のソース領域Sおよびドレイン領域Dが形成される。
次いで、図18および図19に示したように、基板40上に、前記ゲート積層物とゲートスペーサ44とを覆うGe膜46とニッケル膜48とを順次に形成する。Ge膜46は、1nm以上、望ましくは2〜10nmの厚さに形成することができる。そして、ニッケル膜48は、30nmの厚さに形成することができるが、所望のシリサイド膜の厚さによって変えることができる。ニッケル膜48の代わりに、シリコンと反応してシリサイドを形成する他の金属膜が形成されてもよい。このとき、Ge膜46も、前記他の金属膜とシリコンとの反応物の熱的安定性を高める物質膜に代替してもよい。
Ge膜46とニッケル膜48とを順次に積層した後、その結果物を前記のような条件でRTA処理する。シリサイド反応は、シリコンを含む物質膜でのみ起こるので、前記RTA処理過程において、ニッケルシリサイド反応は、ニッケルがシリコンと反応するゲート電極G、ソースおよびドレイン領域S,Dでのみ選択的に起こる。これにより、図20に示すように、ソースおよびドレイン領域S,Dおよびゲート電極Gの上にのみNiSi膜50が形成される。NiSi膜50が形成された後、残りのニッケル膜48は湿式エッチングで除去する。NiSi膜50は、前述した第1NiSi膜(SF1)または第2NiSi膜(SF2)と同じであるので、NiSi膜50の相転移に必要な活性エネルギーは、従来のNiSi膜より高くなる。したがって、NiSi膜50は、従来のNiSiより熱的に安定である。
次いで、半導体メモリ素子の製造方法に、本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法が適用された例を説明する。
図21は、一つのトランジスタと一つのキャパシタとを含む半導体メモリ素子の製造方法に、本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法を適用した場合を示す。
図21に示すとおり、半導体基板40の所定領域上にフィールド酸化膜52を形成する。フィールド酸化膜52の間の半導体基板40上に、ゲート絶縁膜42とゲート電極Gとを含むゲート積層物を形成する。前記ゲート積層物とフィールド酸化膜52の間の基板40に、ソース領域Sおよびドレイン領域Dを形成する。ソース領域S、ドレイン領域Dおよびゲート電極Gの表層に、前述した本発明によるシリサイド膜の形成方法によってNiSi膜50を形成する。NiSi膜50が形成された結果物の全面に層間絶縁層54を形成した後、層間絶縁層54にドレイン領域DのNiSi膜54が露出されるコンタクトホールhを形成する。層間絶縁層54は、例えば、BPSG膜で形成することができる。コンタクトホールhを導電性プラグ56で充填した後、導電性プラグ56の上面に本発明の実施形態によるシリサイドの形成方法を利用してNiSi膜58を形成する。導電性プラグ56は、層間絶縁層54上に拡張されるように形成してもよい。層間絶縁層54上に、NiSi膜58の全面と接触するキャパシタCを形成する。キャパシタCの下部電極(図示せず)は、単純な積層型だけでなくシリンダー状や円筒状のように多様な形態に形成することができる。そして、このような下部電極とNiSi膜58の間に、拡散防止膜のような他の物質膜がさらに形成されていてもよい。また、キャパシタCの誘電膜は、強誘電膜より形成することが望ましい。前記誘電膜の種類によって、キャパシタCの上部および下部電極の材質を変えることができる。
本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法は、図21に示したような形態の半導体メモリ素子と異なるメモリ素子にも適用することができる。例えば、磁気メモリ素子(MRAM:Magnetic Random Access Memory)の製造方法において、スイッチング素子のトランジスタと磁気抵抗体、例えば、MTJセルの接触面に本発明のシリサイドの形成方法によってゲルマニウムを含むNiSi膜を形成することができる。
前記説明において、多くの事項を具体的に記載したが、それらの記載事項は発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、当業者ならば、NiSi膜が形成される位置によってその厚さを異なるものとし、また、Ge膜の厚さも異なるものとすることを容易に想到することができる。また、MOSFETではない他のトランジスタの製造方法にも、前述した本発明のシリサイドの形成方法を適用することができる。したがって、本発明の範囲は、前記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。
本発明は、各種の電子製品に基本素子として使われる素子、例えば、トランジスタ、メモリチップ、キャパシタなどの製造に適用可能である。
本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法を段階別に示す断面図である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法を段階別に示す断面図である。 従来の技術によってNiSi膜をNiSi2膜に変化させる場合の自由エネルギーの変化量を表すグラフである。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法で形成したNiSi膜をNiSi2膜に変化させる場合の自由エネルギーの変化量を表すグラフである。 従来の技術および本発明の実施形態に係るシリサイド膜の形成方法において、アニーリング温度によるシリサイド膜のシート抵抗変化を表すグラフである。 従来のシリサイド膜の形成方法によって形成したニッケルシリサイド膜のX線回折による分析結果を表すグラフである。 本発明の実施形態に係るシリサイド膜の形成方法によって、2nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜のX線回折による分析結果を表すグラフである。 本発明の実施形態に係るシリサイド膜の形成方法によって、5nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜のX線回折による分析結果を表すグラフである。 従来の技術によって、30nmのニッケルを使用して形成したニッケルシリサイド膜のTEM写真である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法によって、2nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜のTEM写真である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法によって、5nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜のTEM写真である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法によって、5nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜のSTEM写真である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法によって、5nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜の成分分布を示すEDXSのプロファイルを表すグラフである。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法によって、2nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜のSTEM写真である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法によって、2nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜の成分分布を示すEDXSのプロファイルを表すグラフである。 従来の技術によるニッケルシリサイド膜の形成方法と、本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法とによって、それぞれ2nmおよび5nmのGe膜を使用して形成したニッケルシリサイド膜における後続熱処理温度によるシート抵抗の変化を表すグラフである。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法をトランジスタ製造方法に適用した例を示す断面図である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法をトランジスタ製造方法に適用した例を示す断面図である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法をトランジスタ製造方法に適用した例を示す断面図である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法をトランジスタ製造方法に適用した例を示す断面図である。 本発明の実施形態によるシリサイド膜の形成方法で形成したシリサイド膜を備える半導体メモリ素子の断面図である。
符号の説明
10 基板
14a 残留金属膜
16 シリサイド膜

Claims (25)

  1. シリコンを含有する基板にソースおよびドレインが形成されており、前記ソースおよびドレインの間の前記基板上にゲートを備える半導体素子において、
    前記ソース、ドレインおよびゲートのうちの少なくとも一つの表面に、ゲルマニウムを含むニッケルモノシリサイド膜が形成されていることを特徴とする半導体素子。
  2. トランジスタとそのトランジスタに連結されたデータ保存手段とを備える半導体メモリ素子において、
    前記トランジスタとデータ保存手段との間に、ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が介設されていることを特徴とする半導体メモリ素子。
  3. 前記トランジスタのドレインと前記キャパシタの下部電極とは、導電性プラグを通じて連結され、前記導電性プラグの表層にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体メモリ素子。
  4. 前記ドレインの表層にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が設けられていることを特徴とする請求項3に記載の半導体メモリ素子。
  5. トランジスタと磁気抵抗体とを備える磁気メモリ素子において、
    前記トランジスタと前記磁気抵抗体との間にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が介設されていることを特徴とする磁気メモリ素子。
  6. 前記磁気抵抗体は、磁気トンネル接合セルであることを特徴とする請求項5に記載の磁気メモリ素子。
  7. シリコンを含有する基板上に前記シリコンと金属との反応物に吸収される臨時膜を形成する第1段階と、
    前記臨時膜の上に後続の熱処理段階で前記シリコンと反応する金属膜を形成する第2段階と、
    前記金属膜が形成された結果物を熱処理して前記基板の表層に金属シリサイド膜を形成する第3段階と、を含むことを特徴とするシリサイド膜の形成方法。
  8. 前記臨時膜は、ゲルマニウム膜であることを特徴とする請求項7に記載のシリサイド膜の形成方法。
  9. 前記金属膜は、ニッケル膜であることを特徴とする請求項7または8に記載のシリサイド膜の形成方法。
  10. 前記基板は、単結晶シリコン基板、ポリシリコン基板、ドーピングされたシリコン基板、非晶質シリコン基板、シリコンゲルマニウム基板、シリコン窒化物基板およびシリコンカーバイド基板よりなる群から選ばれる1種であることを特徴とする請求項7に記載のシリサイド膜の形成方法。
  11. 前記第3段階は、前記金属膜が形成された結果物を、300〜1,000℃かつ窒素ガス雰囲気下で急速熱アニーリング方式によって10〜90秒間熱処理して行うことを特徴とする請求項7に記載のシリサイド膜の形成方法。
  12. 前記金属シリサイド膜が形成された後、残留する前記金属膜を除去することを特徴とする請求項7に記載のシリサイド膜の形成方法。
  13. 前記ゲルマニウム膜は、2〜10nmの厚さに形成することを特徴とする請求項8に記載のシリサイド膜の形成方法。
  14. シリコンを含有する基板上にゲート絶縁膜とゲート電極とを含むゲート積層物を形成する第1段階と、
    前記ゲート積層物の周りの前記基板に浅い不純物層を形成する第2段階と、
    前記ゲート積層物の側面にゲートスペーサを形成する第3段階と、
    前記ゲートスペーサの周りの浅い不純物層に深い不純物層を形成して前記浅い不純物層と前記深い不純物層とからなるソースおよびドレインを形成する第4段階と、
    前記ソース、ドレインおよびゲート電極のうち少なくとも一つの表層にゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜を形成する第5段階と、を含むことを特徴とするトランジスタの形成方法。
  15. 前記第5段階は、
    前記基板上に前記ソースおよびドレインと前記ゲート積層物とを覆い、前記シリコンと金属との反応物に吸収されるゲルマニウム膜を形成する段階と、
    前記ゲルマニウム膜上にニッケル膜を形成する段階と、
    前記ニッケル膜が形成された結果物を熱処理する段階と、を含むことを特徴とする請求項14に記載のトランジスタの形成方法。
  16. 前記基板は、単結晶シリコン基板、ポリシリコン基板、ドーピングされたシリコン基板、非晶質シリコン基板、シリコンゲルマニウム基板、シリコン窒化物基板およびシリコンカーバイド基板よりなる群から選ばれる1種であることを特徴とする請求項14に記載のトランジスタの形成方法。
  17. 前記ニッケル膜が形成された結果物は、300〜1,000℃かつ窒素ガス雰囲気下でRTA方式で10〜90秒間熱処理することを特徴とする請求項15に記載のトランジスタの形成方法。
  18. 前記熱処理後に残留する前記ニッケル膜を除去することを特徴とする請求項15に記載のトランジスタの形成方法。
  19. シリコンを含有する基板にトランジスタを形成する第1段階と、
    前記基板上に前記トランジスタを覆う層間絶縁層を形成する第2段階と、
    前記層間絶縁層にコンタクトのための前記トランジスタの一部が露出されるコンタクトホールを形成する第3段階と、
    前記コンタクトホールを導電性プラグで充填する第4段階と、
    前記導電性プラグの表層にTiSi、CoSiおよびNiSiより熱的安定性に優れるシリサイド膜を形成する第5段階と、
    前記層間絶縁層上に前記導電性プラグの全面と接触するデータ保存手段を形成する第6段階と、を含むことを特徴とする半導体メモリ素子の製造方法。
  20. 前記第2段階において、前記層間絶縁層を形成する前に、前記コンタクトホールを通じて露出される前記トランジスタの一部にTiSi、CoSiおよびNiSiより熱的安定性に優れたシリサイド膜を形成することを特徴とする請求項19に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  21. 前記基板は、単結晶シリコン基板、ポリシリコン基板、ドーピングされたシリコン基板、非晶質シリコン基板、シリコンゲルマニウム基板、シリコン窒化物基板およびシリコンカーバイド基板よりなる群から選ばれる1種であることを特徴とする請求項19に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  22. 前記データ保存手段は、キャパシタまたは磁気トンネル接合セルであることを特徴とする請求項19に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  23. 前記シリサイド膜は、ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜より形成することを特徴とする請求項19または請求項20に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  24. 前記ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜は、
    前記ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜が形成される下部物質膜の上に前記ゲルマニウムを含むニッケルシリサイド膜に吸収されるゲルマニウム膜を形成する段階と、
    前記ゲルマニウム膜上にニッケル膜を形成する段階と、
    前記ニッケル膜が形成された結果物を熱処理する段階と、
    前記残留するニッケル膜を除去する段階と、を経て形成することを特徴とする請求項23に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  25. 前記ニッケル膜が形成された結果物は、300〜1,000℃かつ窒素ガス雰囲気下でRTA方式で10〜90秒間熱処理することを特徴とする請求項24に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
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